با پیشرفت سریع فناوری اپتوالکترونیک، لیزرهای نیمههادی به لطف راندمان بالا، اندازه جمعوجور و سهولت مدولاسیون، در زمینههای مختلفی مانند مخابرات، پزشکی، پردازش صنعتی و لیدار (LiDAR) بهطور گسترده مورد استفاده قرار گرفتهاند. در هسته این فناوری، محیط بهره قرار دارد که نقشی کاملاً حیاتی ایفا میکند. این محیط به عنوان ...«منبع انرژی« ».که امکان انتشار القایی و تولید لیزر را فراهم میکند و لیزر را تعیین میکند'عملکرد، طول موج و پتانسیل کاربرد.
۱. واسطهی افزایش چیست؟
همانطور که از نامش پیداست، محیط تقویت، مادهای است که تقویت نوری را فراهم میکند. هنگامی که توسط منابع انرژی خارجی (مانند تزریق الکتریکی یا پمپاژ نوری) تحریک میشود، نور فرودی را از طریق مکانیسم گسیل القایی تقویت میکند و منجر به خروجی لیزر میشود.
در لیزرهای نیمههادی، محیط بهره معمولاً از ناحیه فعال در محل اتصال PN تشکیل شده است که ترکیب مواد، ساختار و روشهای آلایش آن مستقیماً بر پارامترهای کلیدی مانند جریان آستانه، طول موج انتشار، بازده و ویژگیهای حرارتی تأثیر میگذارد.
۲. مواد بهره رایج در لیزرهای نیمههادی
نیمههادیهای مرکب III-V رایجترین مواد تقویتکننده مورد استفاده هستند. نمونههای معمول عبارتند از:
۱. (۱)گالیوم آرسنید (GaAs)
مناسب برای لیزرهای ساطع شده در مدل 850–محدوده ۹۸۰ نانومتر، به طور گسترده در ارتباطات نوری و چاپ لیزری استفاده میشود.
②InP (فسفید ایندیم)
برای انتشار در باندهای ۱.۳ میکرومتر و ۱.۵۵ میکرومتر استفاده میشود که برای ارتباطات فیبر نوری بسیار مهم است.
۳. (۳)InGaAsP / AlGaAs / InGaN
ترکیبات آنها را میتوان برای دستیابی به طول موجهای مختلف تنظیم کرد و اساس طراحی لیزرهای با طول موج قابل تنظیم را تشکیل داد.
این مواد معمولاً دارای ساختارهای باندگپ مستقیم هستند که آنها را در بازترکیب الکترون-حفره با انتشار فوتون بسیار کارآمد میکند، که برای استفاده در محیط بهره لیزر نیمههادی ایدهآل است.
۳. تکامل ساختارهای بهره
با پیشرفت فناوریهای ساخت، ساختارهای بهره در لیزرهای نیمههادی از اتصالات همگن اولیه به اتصالات ناهمگن و سپس به پیکربندیهای پیشرفته چاه کوانتومی و نقطه کوانتومی تکامل یافتهاند.
۱. (۱)محیط بهره ناهمگون
با ترکیب مواد نیمههادی با شکافهای باند مختلف، حاملها و فوتونها میتوانند به طور مؤثر در نواحی تعیینشده محدود شوند، که باعث افزایش راندمان بهره و کاهش جریان آستانه میشود.
②ساختارهای چاه کوانتومی
با کاهش ضخامت ناحیه فعال به مقیاس نانومتر، الکترونها در دو بعد محدود میشوند و به طور قابل توجهی راندمان بازترکیب تابشی را افزایش میدهند. این امر منجر به لیزرهایی با جریانهای آستانه پایینتر و پایداری حرارتی بهتر میشود.
۳. (۳)ساختارهای نقطه کوانتومی
با استفاده از تکنیکهای خودآرایی، نانوساختارهای صفر بعدی تشکیل میشوند که توزیعهای سطح انرژی تیزی را فراهم میکنند. این ساختارها ویژگیهای بهره بهبود یافته و پایداری طول موج را ارائه میدهند و آنها را به یک نقطه کانونی تحقیقاتی برای لیزرهای نیمههادی با عملکرد بالای نسل بعدی تبدیل میکنند.
۴. معیار سود (یا بهره) چه چیزی را تعیین میکند؟
۱. (۱)طول موج انتشار
شکاف باند ماده، لیزر را تعیین میکند.'طول موج. به عنوان مثال، InGaAs برای لیزرهای نزدیک به مادون قرمز مناسب است، در حالی که InGaN برای لیزرهای آبی یا بنفش استفاده میشود.
②کارایی و قدرت
تحرک حاملها و نرخهای بازترکیب غیرتابشی بر راندمان تبدیل نوری به الکتریکی تأثیر میگذارند.
۳. (۳)عملکرد حرارتی
مواد مختلف به تغییرات دما به روشهای مختلفی پاسخ میدهند و این امر بر قابلیت اطمینان لیزر در محیطهای صنعتی و نظامی تأثیر میگذارد.
④پاسخ مدولاسیون
محیط تقویت کننده بر لیزر تأثیر میگذارد'سرعت پاسخدهی بالا، که در کاربردهای ارتباطی پرسرعت بسیار مهم است.
۵. نتیجهگیری
در ساختار پیچیده لیزرهای نیمههادی، محیط تقویت واقعاً «قلب» آن است.—نه تنها مسئول تولید لیزر، بلکه بر طول عمر، پایداری و سناریوهای کاربردی آن نیز تأثیر میگذارد. از انتخاب مواد گرفته تا طراحی ساختاری، از عملکرد ماکروسکوپی گرفته تا مکانیسمهای میکروسکوپی، هر پیشرفتی در محیط بهره، فناوری لیزر را به سمت عملکرد بهتر، کاربردهای گستردهتر و اکتشافات عمیقتر سوق میدهد.
با پیشرفتهای مداوم در علم مواد و فناوری نانوساخت، انتظار میرود محیطهای فعال آینده، روشنایی بالاتر، پوشش طول موج وسیعتر و راهحلهای لیزری هوشمندتری را به ارمغان بیاورند.—گشودن امکانات بیشتر برای علم، صنعت و جامعه.
زمان ارسال: ۱۷ ژوئیه ۲۰۲۵